TP Etude_Alimentations - FR

CCI
Paris Ile de France
E4
TP Alimentations 1ère partie
Février 2016
feuille 1/10
Durée 18 heures
Remis par : P. POULICHET
Objectifs du TP : déterminer les performances des alimentations linéaires et à découpage par
simulations et mesures. Vous remettrez un rapport avec les simulations et mesures à la fin de
la dernière séance de TP.
Lors de la mise sous tension des ordinateurs sous le logiciel Flex, utiliser la configuration
Circuits.
Télécharger à l’adresse (www.esiee.fr/~poulichp/PowerManagement) les trois fichiers
TP_Alimentations.zip, users.olb et users.lib.
Enregistrer la bibliothèque users.olb à l’adresse : C:\Cadence\SPB_16.5\tools\capture\library
et users.lib à l’adresse C:\Cadence\SPB_16.5\tools\pspice\library.
Déclarer la bibliothèque users.lib par : Pspice > Edit Simulation Profile > Configurations Files
> Library et Add as Global.
1. REGULATION LINEAIRE
1.1 Alimentations non régulée
Dans le répertoire TP_Alimentations, ouvrir le Projet TP0.opj
Décrire le modèle du transformateur, le rôle de la résistance R4 // C1. Quelle est la valeur de
l’ondulation de la tension d’alimentation et comment la réduire ? Mesurer le courant délivré
par le transformateur.
1.2 Alimentation stabilisée
Dans le répertoire TP_Alimentations, ouvrir le Projet TP1.opj. Pour stabiliser l’alimentation,
il est utilisé un régulateur LM7805.
Quelle est la valeur de la tension d’ondulation en sortie ? Pensez-vous qu’il en soit de même
dans la réalité et pourquoi ?
Déterminer le rendement du régulateur. Il s’obtiendra en calculant dans le logiciel Probe, la
valeur moyenne du courant AVG() dans la source multipliée par la tension délivrée par la
source. Aux bornes de la charge, on considéra que la tension est continue.
On utilisera le régulateur de la page suivante :
http://radiospares-fr.rs-online.com/web/p/regulateurs-de-tension-lineaires/0296756/
A partir des résistances thermiques du régulateur, en va déterminer l’échauffement du
régulateur. La résistance thermique en °C. W-1 est définie par la relation suivante :
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TMAX  TA
avec TMAX la température maximale supportée, TA la température ambiante
P
et P la puissance dissipée dans le régulateur. On considère un boîtier TO-220FP.
La résistance thermique est la somme des résistances thermiques pour évacuer la chaleur de la
jonction du régulateur jusqu’à l’ambiant :
 RTHjb est la résistance thermique de la jonction du composant au boîtier,
 RTHbr est la résistance thermique du boîtier au radiateur,
 RTHra est la résistance thermique du radiateur à l’ambiant.
RTH 
Dans le cas du transistor sans radiateur, ce qui est pris en compte est R THJA et avec radiateur
RTHJC + celle du radiateur.
Déterminer la température de jonction avec un radiateur placé à l’horizontal et refroidit de
façon naturelle et dont la résistance thermique est celle telle donnée dans la documentation :
http://docs-europe.electrocomponents.com/webdocs/002b/0900766b8002b78b.pdf
Conclusion ?
1.3 Régulateur du type LDO (page 16 livre TI)
Le circuit utilisé est le TPS7A4901. On l’étudie par la simulation et on teste son
fonctionnement sur la carte Texas Instrument.
1.3.1 Simulation sur le logiciel TI
Nous utiliserons le logiciel de conception en ligne Webench de Texas Instrument (TI). Vous
devez créer un compte TI sur cette page :
https://my.ti.com/
Ouvrir la page :
http://www.ti.com/product/tps7a49
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Ouvrir le Design. Cliquer alors sur le schéma et sur l’onglet de la sinusoïde pour démarrer la
simulation. Choisir une simulation du type Steady State et démarrer la simulation. Cliquer sur
le schéma pour faire apparaitre la courbe du courant de sortie.
Observer les résultats en Load Transient, en Input Transient et en Startup et commenter les
résultats. Dans le cas de la variation de la tension d’entrée, comparer la variation de la tension
de sortie simulée, avec celle calculée à partir de la documentation du composant. Utiliser pour
cela la réjection de la variation de l’alimentation.
Avec l’onglet Thermal suivi de Run Simulation, faire une analyse thermique. Déterminer la
température maximale sur le PCB. Comment est évacuée la chaleur du composant ?
1.3.2 Etude du circuit LDO TPS7A4901
Le cavalier J39 est sur On et J31 = J 32 = J38 = J40 = J33 = J34 = sh (short). Les câbles
d’alimentations sont reliés à Vin et GND et la charge est placée entre GND et Vout. Relier
Vin et GND à une alimentation variable en tension et courant.
Pour certaines charges placées en sortie, faites attention à la résistance qui
peut être très chaude.
Relever avec un voltmètre numérique la valeur de la tension de sortie pour les différentes
charges disponibles.
Pour une charge de 300 Ω, relever la tension de déchet minimale (dropout voltage) et
comparer à sa valeur donnée dans la documentation du composant. Déterminer alors le
rendement.
Pour une tension d’entrée comprise entre 16 V et 30 V, relever la valeur de la tension de sortie
pour une charge de 300 Ω.
2. CONVERTISSEUR DC-DC DU TYPE BUCK
2.1 Simulation du convertisseur DC-DC
Dans le répertoire TP_Alimentations, ouvrir le Projet TP2.opj
Vérifier d’après le rapport cyclique la valeur de la tension de sortie. Déterminer le rendement.
Simuler le convertisseur en remplaçant l’interrupteur Sbreak avec un transistor MOS le IRFB
7446pbf puis le IRFH 7932pbf. Pour pouvoir utiliser ces transistors, déclarer la bibliothèque
user.lib. Quelles sont les différences par rapport à la simulation avec l’interrupteur idéal.
Déterminer le rendement. Dans le logiciel Probe, faire apparaitre une trace qui calcule le
produit de la tension différentielle aux bornes du MOS et du courant dans le MOS. Que
représente ce produit ?
Pour diminuer les problèmes de convergence, s’il y a besoin, vous modifierez les paramètres
de la simulation Pspice (Pspice > Simulation Settings > Options) comme sur le tableau
suivant :
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2.2 Simulation du convertisseur avec MLI
Dans le répertoire TP_Alimentations, ouvrir le Projet TP2_1.opj
Quel est le principe général de la régulation de la tension de sortie ?
Quel est le rôle de la tension V2 ?
Pourquoi y a-t-il une tension de 2.5 V et deux résistances, R10 et R11 ?
Quelle est l’ondulation de la tension de sortie ?
2.3 Mesure de l’impédance des composants avec l’analyseur de spectre
Connecter la sortie du générateur de tracking de l’analyseur de spectre vers un T-BNC placé
sur l’entrée RF. Placer sur l’entrée RF un adaptateur BNC-Banane pour pouvoir placer le
composant à mesurer : il est en parallèle sur l’entrée s’il s’agit d’une capacité et en série s’il
s’agit d’une inductance.
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Le schéma équivalent est alors celui placé sur la droite. L’impédance à mesurer est
v
représentée par Z et sa valeur est : Z  50 e . En fonction de la tension mesurée à l’entrée
v
1  2.
e
2
 v 
VdBm


de l’analyseur, on écrit : VdBm  10 Log10  503   v  0.05.10 10
 10 




D’après les courbes mesurée à l’analyseur de réseau, déterminer pour la capacité, la valeur de
la résistance série et l’inductance série, et pour l’inductance la capacité et la résistance
parallèle.
2.4 Prise en compte du modèle de la capacité d’entrée et des inductances
Remplacer la capacité de sortie dans le schéma de simulation Spice par le modèle du
composant mesuré.
2.5 Utilisation du simulateur Webench
Ouvrer la page http://www.ti.com/product/TPS54160 et cliquer sur la fenêtre Webench.
Ouvrir le schéma. Lancer la simulation et observer Vout. Quelle est la valeur de l’ondulation
de la tension de sortie ?
Observer simultanément le courant dans l’inductance et la tension aux bornes de D1. Indiquer
sur le graphe les phases de conduction de la diode et du transistor interne au circuit.
Remarquer les différences entre un « design » optimisé pour une faible surface ou un
« design » optimisé pour un bon rendement.
Faire une analyse comparative de :
 la fréquence de fonctionnement du convertisseur,
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 la valeur de l’inductance,
 à partir d’une analyse thermique la valeur de la plus haute température déterminée
dans les deux cas.
2.6 Utilisation du circuit TI TPS54160 (page 68 livre TI)
Les câbles d’alimentations sont reliés à Vin et GND et la charge est placée entre GND et
Vout. Relier Vin et GND à une alimentation variable en tension et courant. Placer en sortie de
l’alimentation une résistance de 4 Ω.
On utilisera J11 sh, J14 sh, J15 sh, [H10-H12].
2.6.1 Etude de la régulation en ligne
Pour une tension d’entrée comprise entre 6 V et 30 V, relever avec un voltmètre numérique la
valeur de la tension de sortie. Exprimer la variation en % de VOUT. Relever le rapport cyclique
(mesuré sur TP12 avec une sonde de tension) en fonction de la valeur de la tension d’entrée.
2.6.2 Etude de l’ondulation de la tension de sortie
Relever avec une sonde la tension de sortie et mesurer l’ondulation de la tension de sortie.
Veiller à connecter la masse de la sonde à proximité de la mesure pour ne pas avoir trop
d’ondulations sur la mesure.
2.6.3 Etude de la régulation en charge
Pour les différentes résistances que vous avez, placer les en sortie, l’une après l’autre et
relever la valeur de la tension avec précision. Tracer la courbe de variation de la tension en
fonction du courant et exprimer la variation en % de VOUT.
2.6.4 Mesure du rendement
Pour la résistance de charge de 4 Ω, déterminer le rendement.
2.6.5 Conduction continue et discontinue
Pour Vin = 8 V et RLOAD = 22 Ω, relever avec l’oscilloscope la tension sur TP12. Ajuster la
tension pour être en conduction continue et discontinue.
2.6.6 Stabilité du convertisseur
Pour assurer à la fois une bonne précision de la tension de sortie et une stabilité de la boucle,
l’asservissement de la tension de sortie doit être stable. Nous étudions la stabilité dans le cas
où la capacité de découplage placée en sortie est trop faible.
Vin = 8 V, RLOAD = 22 Ω, J20 op, J21 op, J14 sh, J15 op.
Mesurer à l’oscilloscope la tension de sortie.
Placer ensuite J20 sh. La tension de sortie est plus stable. Expliquer pourquoi.
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3. CONVERTISSEUR DC-DC DU TYPE BOOST
3.1 Simulation du convertisseur Boost
Ouvrir la page http://www.ti.com/product/LM5122-Q1
Faire plusieurs simulations avec une tension d’entrée qui varie de 9 à 19V. Relever le rapport
cyclique et la valeur de la tension de sortie.
Justifier la valeur de la tension de sortie, du rapport cyclique et de l’allure du courant dans
l’interrupteur.
Faire une analyse thermique.
3.2 Mesure sur le convertisseur BOOST LM5122
Le convertisseur est décrit à la page 116 du livre TI.
Placer un strap entre H3-H8. J18 sh, J14 sh.
3.2.1 Etude du fonctionnement
Placer une charge de 270 Ω. Pour une tension d’entrée de 12V, relever la tension de sortie et
la tension sur TP10.
Pour une tension croissante de 9V à 19V, noter la valeur de la tension de sortie, le rapport
cyclique et une allure de la tension relevée sur TP10.
Si une sonde de courant est disponible, relever l’allure du courant à partir du strap de courant.
Pour une tension de 20V en entrée, déterminer le rendement.
Remplacer la résistance de charge par une résistance de 71 Ω (faites très attention car elle
peut être très chaude). Déterminer à nouveau le rendement. Pour une détermination plus
précise du rendement, mesurer à l’ohmmètre la valeur de la résistance quand elle est chaude.
Déplacer le strap de l’inductance H8-H3 et déterminer à nouveau le rendement.
Placer un cavalier sur J15. Quelle est la fréquence de fonctionnement du convertisseur ?
Déterminer à nouveau le rendement. Conclusion ?
Déplacer le strap entre H3-H8.
Pour une charge de 71 Ω, une fréquence de fonctionnement de 250 kHz, une tension d’entrée
de 15 V et une inductance de 10 µH relever la tension au point TP10. La conduction est
discontinue. Déterminer le rendement dans ce cas.
3.2.2 Etude de la variation dynamique de la charge
Pour tester la variation dynamique de la charge et en déduire l’impédance de sortie, on va
utiliser un montage permettant de faire varier dynamiquement la charge. Le principe est
d’utiliser un générateur extérieur pour commander une variation de courant. Pour éviter trop
de problèmes de perturbations de la tension de sortie par du câblage, vous devez utiliser une
paire torsadée entre le montage ajouté, et la sortie de la carte d’alimentation.
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Délivrer à partir d’un générateur extérieur un signal carré d’amplitude +- 5V à différentes
fréquences (100 Hz, 1kHz et 10 kHz) et appliquer ce signal sur l’entrée coaxiale du
générateur extérieur.
Observer alors l’ondulation de la tension de sortie en synchronisant l’oscilloscope sur la sortie
du générateur de tension. Mesurer la valeur de l’ondulation de la tension de sortie à la même
fréquence que celle délivrée par le générateur. Utiliser les jumpers J18, J19 et J20 pour faire
varier le correcteur. Comparer et expliquer les différences.
3.3 Mesure sur le convertisseur BOOST TPS55340
Le convertisseur est décrit à la page 112 du livre TI.
Placer un strap entre H1-H5. Placer les cavaliers J6, J17, J18 et J7 à gauche coté •.
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3.3.1 Etude du fonctionnement
Placer une charge de 71 Ω. Pour une tension d’entrée de 10V, relever la tension de sortie et la
tension sur TP2.
Pour une tension croissante de 5V à 11V, noter la valeur de la tension de sortie, le rapport
cyclique et une allure de la tension relevée sur TP2.
Relever la tension d’entrée, la tension de sortie, le courant dans l’inductance et la tension
mesurée sur TP2. Expliquer les différentes phases de fonctionnement du convertisseur.
3.3.2 Variation dynamique de la tension de sortie
Pour mesurer l’influence d’une variation dynamique de la tension du convertisseur LM5118,
on utilisera le convertisseur TPS55340. On agira au niveau de la tension de référence du
convertisseur au point TP7 en modifiant dynamiquement la valeur de la résistance.
Quand le transistor de la figure ci-dessus sera ouvert, la tension de sortie sera définie par la
résistance de 10 kΩ de la maquette du TPS55340. Quand le transistor est passant, la tension
de sortie est définie par la résistance de 10 kΩ en parallèle de la résistance de 39 kΩ. Calculer
la valeur de la tension.
Faire vérifier la connexion sur la carte avant de placer sous tension. Il sera connecté avec des
pinces crocodiles.
Délivrer à partir d’un générateur extérieur un signal carré d’amplitude +- 5V à différentes
fréquences (100 Hz, 1 kHz et 10 kHz) et appliquer ce signal sur la base du transistor du
schéma ci-dessus.
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Pour une fréquence de 100 Hz appliqué à partir du générateur extérieur, relever la tension de
sortie du convertisseur. Déplacer le strap J17 et noter les différences. Faire de même pour une
fréquence de 1 kHz.
Pour tester l’alimentation à une variation dynamique de la tension, connecter la sortie de
l’alimentation TPS55340 à l’alimentation LM5118.
Configurer l’alimentation LM5118 comme suit : J2 ON, J4 sh, J5 sh, J16 sh J17 sh, [H1-H3]
sh, RLOAD = 71 Ω.
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Connecter la sortie de l’alimentation TPS55340 à l’entrée de l’alimentation LM5118, et
observer la variation de la tension de sortie en synchronisation avec le générateur extérieur.
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